楊果林， 邱明明， 何　旭,2， 申　權(quán)(.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長沙　40075；2.中鐵十九局集團(tuán)有限公司，遼寧　遼陽　000)

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膨脹土路塹基床新型防水層振動(dòng)荷載下服役性能試驗(yàn)研究

楊果林1， 邱明明1， 何旭1,2， 申權(quán)1(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長沙410075；2.中鐵十九局集團(tuán)有限公司，遼寧遼陽111000)

摘要：膨脹土路塹基床病害是鐵路工程中亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。針對(duì)新建云桂線膨脹土地段高速鐵路工程實(shí)際，開展膨脹土路塹基床模型室內(nèi)激振試驗(yàn)，研究新型防水結(jié)構(gòu)層在干燥、降雨、地下水位上升三種極端服役條件下的動(dòng)力性能及防水效果，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明：服役環(huán)境對(duì)新型基床結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性影響顯著，降雨和地下水位上升均引起基床動(dòng)應(yīng)力、速度及加速度不同程度的增加；新型防水結(jié)構(gòu)層可加快基床內(nèi)部動(dòng)應(yīng)力的衰減，動(dòng)應(yīng)力沿橫向距離近似呈“Z”形分布，在軌道正下方出現(xiàn)峰值，距線路中線5.0 m以外受振動(dòng)影響較小；新型防水結(jié)構(gòu)層能滿足的防水、隔水、抗振、減振的要求，對(duì)提高鐵路線路的平順性和穩(wěn)定性具有積極意義。研究成果可為新建云桂膨脹土高速鐵路工程建設(shè)及同類工程實(shí)踐提供參考。

關(guān)鍵詞：膨脹土；路塹基床；動(dòng)響應(yīng)；防水結(jié)構(gòu)層；高速鐵路

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，涌現(xiàn)出大量的膨脹土工程，給膨脹土及其相關(guān)工程問題的深入研究提供了強(qiáng)大的發(fā)展動(dòng)力，同時(shí)也提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。膨脹土是一種主要由強(qiáng)親水性黏土礦物蒙脫石及其混層黏土礦物組成的特殊土，具有吸水膨脹、軟化、崩解和失水收縮、開裂的特性[1-3]。一些學(xué)者通過對(duì)膨脹土的膨脹力測(cè)試[4]、干濕循環(huán)劣化行為[5]、細(xì)觀結(jié)構(gòu)及演化規(guī)律[6]等方面來研究膨脹土的特性。研究發(fā)現(xiàn)膨脹土對(duì)濕度狀態(tài)變化十分敏感，并由此引起膨脹土發(fā)生脹縮變形和強(qiáng)度劣化，對(duì)穿越膨脹土地段的建筑物安全及穩(wěn)定性極為不利。因此，對(duì)于膨脹土地區(qū)的鐵路路基，合理控制路基濕度狀態(tài)是關(guān)鍵，同時(shí)基床結(jié)構(gòu)需具有較好的防排水效果和一定的變形協(xié)調(diào)性能。

既有南昆鐵路膨脹土路塹基床主要采用“兩布一膜”復(fù)合防排水結(jié)構(gòu)層，但在運(yùn)營后調(diào)查發(fā)現(xiàn)土工布防水路段多處出現(xiàn)下沉變形、排水不暢、翻漿冒泥等病害[3]，嚴(yán)重影響線路的正常運(yùn)輸及行車安全，由此說明采用傳統(tǒng)柔性防水措施處治膨脹土路基效果不理想。新建云桂高速鐵路與南昆線在同一走廊帶上，沿線存在大量的膨脹土(巖)路塹地段，為此，在深入分析本工程特點(diǎn)及基床病害產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)之上，擬在基床中增設(shè)一道新型防水結(jié)構(gòu)層形成新的基床結(jié)構(gòu)，以解決新建云桂高速鐵路穿越膨脹土地段難題。

國內(nèi)外諸多學(xué)者從列車動(dòng)荷載模擬[7]、彈性理論解答[8-9]、數(shù)值模擬分析[10-11]、模型試驗(yàn)[12-13]及現(xiàn)場測(cè)試[14-15]等方面對(duì)高鐵路基動(dòng)態(tài)響應(yīng)及影響因素進(jìn)行了研究。研究表明基床結(jié)構(gòu)及參數(shù)變化對(duì)基床的動(dòng)力特性具有顯著影響。由于新型基床結(jié)構(gòu)中存在防水結(jié)構(gòu)層的作用，使得新型基床結(jié)構(gòu)在列車荷載下的動(dòng)力響應(yīng)與傳統(tǒng)基床結(jié)構(gòu)有較大差異，特別是在極端服役環(huán)境條件下，研究新型基床防水結(jié)構(gòu)層在列車振動(dòng)荷載作用下的服役性能及效果，對(duì)確保新建云桂鐵路建設(shè)質(zhì)量及基床長期動(dòng)力穩(wěn)定具有重要意義。文章基于已取得的研究成果基礎(chǔ)之上，以典型中-強(qiáng)膨脹土路塹新型基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)斷面為依據(jù)，開展1∶1足尺新型路塹基床模型室內(nèi)激振試驗(yàn)，研究干濕極端條件下新型基床防水結(jié)構(gòu)層的動(dòng)力性能以及防水效果，并結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證分析。研究成果可為新建云桂高速鐵路工程建設(shè)和同類工程實(shí)踐提供借鑒和參考。

1基床新型防水結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)

新建云桂高速鐵路是國家Ι級(jí)雙線鐵路，設(shè)計(jì)速度為200 km/h，并預(yù)留250 km/h提速條件。沿線存在無法完全繞避的膨脹土地區(qū)，膨脹土路段長約129.7 km，占線路總長18.3%，其中膨脹土路塹144處，總長約23.7 km，全線弱、中、強(qiáng)膨脹等級(jí)的膨脹土均有分布，線路處于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)降雨量和蒸發(fā)量均較大，全年呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性干濕循環(huán)特點(diǎn)。

根據(jù)云桂高速鐵路膨脹土地段建設(shè)的需求，課題組自主設(shè)計(jì)了新型防排水結(jié)構(gòu)層，對(duì)膨脹土路段基床進(jìn)行全封閉防水處理。為充分保證路塹基床的長期穩(wěn)定性，可結(jié)合膨脹土裂隙分布特點(diǎn)，在排水側(cè)溝下方增設(shè)混凝土防滲墻及盲溝以加強(qiáng)防排水，新型路塹基床結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。其中，地基土類型為中-強(qiáng)膨脹土，基床結(jié)構(gòu)由上至下依次為：0.7 m基床表層(0.65 m級(jí)配碎石+0.05 m中粗砂)+0.2 m新型防水結(jié)構(gòu)層(改性水泥基復(fù)合防水材料)+基床底層(即換填層，A、B組填料，厚度視具體情況而定，建議值為0.5～2.3 m)。

圖1　新型路塹基床結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of new type cutting bedding

1.2防水結(jié)構(gòu)層力學(xué)性能試驗(yàn)

根據(jù)云桂鐵路膨脹土基床對(duì)防水材料要求的中低彈模、抗?jié)B性強(qiáng)、高變形性和高韌性性能，并結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，課題組以砂和土作為骨架系統(tǒng)，以橡膠和乳化瀝青為改性組分，以水泥和纖維混合體系為增強(qiáng)組分，通過優(yōu)化各組分間的配比來實(shí)現(xiàn)新型防水結(jié)構(gòu)層材料的研制。基于上述六種材料組分，在中南大學(xué)建筑材料試驗(yàn)室中成型了不同配合比、不同尺寸的材料試件，測(cè)試了各條件下材料的密度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量、抗?jié)B透性、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系等物理力學(xué)特性，其物理力學(xué)參數(shù)詳見表1。

表1　防水結(jié)構(gòu)層物理力學(xué)參數(shù)

為測(cè)試不同試驗(yàn)條件下復(fù)合材料試件的疲勞性能，采用SPW微機(jī)控制氣動(dòng)伺服疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。試件尺寸為7.07 mm×7.07 mm×7.07 mm的立方體，采用正弦波加載方式，加載頻率為5 Hz，加載應(yīng)力范圍為0.2～1.0 MPa。試件疲勞加載應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線測(cè)試結(jié)果見圖2。經(jīng)分析可知：經(jīng)過15萬次、100萬次和200萬次疲勞加載后的復(fù)合材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線未發(fā)生明顯變化，說明該材料有較強(qiáng)的抗疲勞性能，在試驗(yàn)加載條件下的長期疲勞荷載不會(huì)對(duì)復(fù)合材料內(nèi)部造成疲勞損傷；在長期浸水和動(dòng)力荷載共同作用下，材料的應(yīng)力峰值和基準(zhǔn)組相比減小約0.3 MPa，考慮到新型防水結(jié)構(gòu)層在實(shí)際服役過程中受到的最大列車動(dòng)力荷載幅值為98.8 kPa，僅為疲勞試驗(yàn)動(dòng)力變化幅值(800 kPa)的1/8，故新型復(fù)合材料可以滿足在長期浸水和實(shí)際列車荷載共同作用下的要求。同時(shí)，新型防水材料施工方便、連續(xù)性好，可避免傳統(tǒng)復(fù)合土工防水材料因在施工中出現(xiàn)易變形、破損及接縫多等問題。

圖2　應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.2 Relations of stress-stain

2新型防水層服役性能試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

成都將“西蜀第一街”錦里、“成都會(huì)客廳”寬窄巷子、“新時(shí)代夢(mèng)工廠”東區(qū)音樂公園融于一體，使其成為成都新的標(biāo)桿，既有成都的地域特色，又彰顯城市魅力

結(jié)合云桂鐵路膨脹土地段路塹工程實(shí)際，選取典型中-強(qiáng)膨脹土路塹基床設(shè)計(jì)斷面，基床結(jié)構(gòu)由上至下依次為：0.7 m基床表層+0.2 m新型防水結(jié)構(gòu)層+0.6 m基床底層。建立長×寬×高尺寸為9.2 m×2.0 m×4.6 m的1∶1路基足尺模型，在路基內(nèi)埋設(shè)動(dòng)土壓力盒、速度計(jì)、加速度計(jì)和濕度計(jì)等元器件，研究干燥、降雨、地下水位上升三種極端服役環(huán)境條件下基床結(jié)構(gòu)的動(dòng)力行為特性，模型尺寸及元器件布置圖見圖3。

圖3　模型試驗(yàn)布置圖(單位:m)Fig.3 Layout of model test (unit: m)

2.2列車荷載及試驗(yàn)過程

實(shí)際模型激振試驗(yàn)在中南大學(xué)高速鐵路建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室完成，采用MTS激振系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高速列車振動(dòng)荷載的有效模擬。列車動(dòng)荷載按照CRp型列車進(jìn)行確定，行車速度取v=250 km/h，加載頻率為f=4 Hz，列車靜輪載Pj=200 kN，路基面最大動(dòng)軸力及應(yīng)力幅值[16-17]分別為Pdl=380 kN，σdl=98.8 kPa。采用正弦波應(yīng)力變化來模擬列車運(yùn)動(dòng)引起的附加動(dòng)輪載ΔP，其大小為180 kN。故模型試驗(yàn)加載按方程(1)進(jìn)行輸入，其加載時(shí)程曲線如圖4所示。

P(t)=200+180sin(25.12t)

(1)

圖4　列車荷載時(shí)程曲線Fig.4 Time history curves of train loads

在激振試驗(yàn)過程中，分別對(duì)路基模型進(jìn)行干燥狀態(tài)、降雨及地下水位上升三種服役條件下進(jìn)行激振試驗(yàn)，每種條件下激振100萬次，共計(jì)300萬次。具體過程如下：

(1) 路基試驗(yàn)?zāi)Ｐ吞钪瓿珊?，在干燥條件下激振100萬次，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(2) 根據(jù)云桂高速鐵路百色段實(shí)際降雨情況，降雨速度和降雨量分別取14.9 mm/12 h、3.68 m3，在路基模型上方安裝的管網(wǎng)實(shí)現(xiàn)模擬降雨，通過埋設(shè)在路基中的應(yīng)變計(jì)和濕度計(jì)觀察基床表層及地基膨脹土受降雨影響的動(dòng)態(tài)變化，模擬降雨完成后，再次激振100萬次，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(3) 通過埋設(shè)在路基中的注水系統(tǒng)模擬地下水位上升或地表水滲入等情況，由下至上逐層進(jìn)行注水，觀察濕度計(jì)讀數(shù)來監(jiān)控地下水位上升及地基膨脹土飽和度變化，注水完成后，再次激振100萬次，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3試驗(yàn)結(jié)果分析

路基內(nèi)動(dòng)應(yīng)力、速度、加速度水平及分布規(guī)律是評(píng)價(jià)列車動(dòng)荷載對(duì)路基破壞作用的重要指標(biāo)，也是影響高速鐵路路基結(jié)構(gòu)長期動(dòng)力穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素[17]。根據(jù)模型試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，下面將重點(diǎn)從動(dòng)應(yīng)力、速度、加速度三個(gè)方面，探討新型防水結(jié)構(gòu)層在列車動(dòng)荷載作用下的振動(dòng)性能、防水效果及其對(duì)基床結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響。

3.1動(dòng)應(yīng)力分析

明確路基各結(jié)構(gòu)層內(nèi)動(dòng)應(yīng)力水平和荷載傳遞規(guī)律是高速鐵路路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和變形控制的基礎(chǔ)保證；同時(shí)，過大的動(dòng)應(yīng)力強(qiáng)度容易導(dǎo)致路基填料破碎，產(chǎn)生更大的長期沉降變形，對(duì)路基長期動(dòng)力穩(wěn)定性及運(yùn)行維護(hù)極為不利。圖5給出了不同服役條件下基床內(nèi)各位置豎向動(dòng)應(yīng)力隨激振次數(shù)的變化曲線。從圖可得：在同一服役條件下，基床內(nèi)動(dòng)應(yīng)力在激振初期波動(dòng)性較大，但隨著激振次數(shù)的增加而逐漸趨于穩(wěn)定；基床內(nèi)動(dòng)應(yīng)力受服役環(huán)境影響較大，降雨和地下水位上升均引起基床內(nèi)動(dòng)應(yīng)力水平提高；干燥條件下激振100萬次后，軌道正下方路基面下0.2 m和防水層底面處的動(dòng)應(yīng)力分別為40.0 kPa、17.0 kPa，衰減了57.5%，說明防水層具有一定的耗能作用，可加快基床內(nèi)部動(dòng)應(yīng)力的衰減；防水結(jié)構(gòu)層底面處動(dòng)應(yīng)力值隨激振次數(shù)波動(dòng)變化較大，是由于鋪設(shè)的防水結(jié)構(gòu)層具有半剛性的特點(diǎn)，可隨上部荷載的變化表現(xiàn)出一定的適應(yīng)性和協(xié)調(diào)性，故可提高鐵路線路的平順性。

圖6為不同服役環(huán)境下動(dòng)應(yīng)力沿線路橫斷面分布規(guī)律。由圖可得：在振動(dòng)荷載作用下，動(dòng)應(yīng)力沿線路橫向近似呈“Z”形分布，在軌道正下方出現(xiàn)峰值，距路基面距離越近，動(dòng)應(yīng)力曲線“單峰”特征越明顯；距線路中線4.85 m以外動(dòng)應(yīng)力值小于3.0 kPa，相對(duì)于軌道正下方動(dòng)應(yīng)力值衰減了92.8%，即距線路中線5 m以外幾乎不受影響；三種服役條件下，軌道正下方路基面下0.2 m處動(dòng)應(yīng)力大小依次為40.0 kPa、41.0 kPa、43.0 kPa，防水結(jié)構(gòu)層動(dòng)應(yīng)力大小依次為 17.0 kPa、18.0 kPa、19.0 kPa，降雨和地下水位上升均使基床動(dòng)應(yīng)力提高，說明基床動(dòng)力性能跟服役環(huán)境相關(guān)。

圖5　不同位置處動(dòng)應(yīng)力隨激振次數(shù)變化規(guī)律Fig.5 Curves of dynamic stress with vibration number under different position

圖6　橫向測(cè)試斷面動(dòng)應(yīng)力變化曲線Fig.6 The curves of dynamic stress in transverse testing section

3.2振動(dòng)速度分析

圖7為不同服役條件下基床內(nèi)各位置振動(dòng)速度隨激振次數(shù)的變化曲線。由圖可得：干燥條件下，激振初始振動(dòng)速度波動(dòng)性較大，這是由于速度傳感器和接觸材料在激振荷載作用下不斷調(diào)整與耦合造成的，激振約50萬次以后振動(dòng)速度逐漸趨于穩(wěn)定；降雨和地下水位上升均引起了基床內(nèi)振動(dòng)速度增大，且基床表層振動(dòng)速度的波動(dòng)性較防水結(jié)構(gòu)層處明顯，說明防水結(jié)構(gòu)層對(duì)振動(dòng)速度具有較好的消能和擴(kuò)散能力，從而減弱了振動(dòng)速度在防水結(jié)構(gòu)層上的波動(dòng)性。

圖8為不同服役環(huán)境下振動(dòng)速度沿線路橫斷面分布規(guī)律。由圖可得：基床表層振動(dòng)速度分布曲線沿線路橫向呈“單峰”特征(見圖8(a))，在軌道正下方出現(xiàn)峰值，距線路中線5.0 m以外振動(dòng)速度小于3 mm/s；防水結(jié)構(gòu)層底面振動(dòng)速度峰值特征不明顯，距線路中線5.0 m范圍內(nèi)受振動(dòng)影響較大(見圖8(b))；三種服役條件下軌道正下方，路基面下0.2 m處振動(dòng)速度依次為9.5 mm/s、11.3 mm/s、11.5 mm/s，防水結(jié)構(gòu)層振動(dòng)速度依次為8.0 mm/s、8.4 mm/s、9.4 mm/s，降雨和地下水位上升均引起振動(dòng)速度增大，故加強(qiáng)膨脹土地質(zhì)條件下基床結(jié)構(gòu)防排水措施對(duì)確保基床長期動(dòng)力穩(wěn)定性具有關(guān)鍵意義。

圖7　不同位置處振動(dòng)速度隨激振次數(shù)變化規(guī)律Fig.7 Curves of dynamic velocity with vibration number under different position

圖8　橫向測(cè)試斷面速度變化曲線Fig.8 The curves of dynamic velocity in transverse testing section

3.3振動(dòng)加速度分析

圖9為不同服役條件下基床內(nèi)各位置振動(dòng)加速度隨激振次數(shù)的變化曲線。經(jīng)分析可知：干燥條件下激振初始振動(dòng)加速度同樣表現(xiàn)出較大的波動(dòng)性，激振約20萬次以后振動(dòng)加速度逐漸趨于穩(wěn)定，軌道中線正下方路基面下0.2 m和防水結(jié)構(gòu)層處振動(dòng)加速度大小依次約為0.20 m/s2、0.17 m/s2，衰減了15.0%；降雨條件下，軌道中線正下方路基面下0.2 m和防水結(jié)構(gòu)層處振動(dòng)加速度大小依次約為0.27 m/s2、0.23 m/s2，衰減了14.8%；地下水位上升后，軌道中線正下方基床表層頂面和防水結(jié)構(gòu)層處振動(dòng)加速度大小依次約為0.29 m/s2、0.25 m/s2，衰減了13.8%。

圖10為不同服役環(huán)境下振動(dòng)加速度沿線路橫斷面分布規(guī)律。由圖可得：干燥、降雨及地下水位上升三種服役條件下振動(dòng)加速度沿橫斷面距離分布規(guī)律基本一致，距線路中線距離越遠(yuǎn)振動(dòng)加速度值越小，5.0 m以外加速度值均小于0.05 m/s2；路基面下0.2 m處加速度依次為0.18 m/s2、0.25 m/s2、0.30 m/s2(見圖10(a))，降雨和地下水位上升較干燥條件下加速度增加了38.9%和66.7%；防水結(jié)構(gòu)層底面加速度依次為0.15 m/s2、0.22 m/s2、0.27 m/s2(見圖10(b))，降雨和地下水位上升較干燥條件下加速度增加了46.6%和80.0%。由此說明降雨和地下水位上升會(huì)加劇基床內(nèi)振動(dòng)加速度的提高。

圖9　不同位置處振動(dòng)加速度隨激振次數(shù)變化規(guī)律Fig.9 Curves of dynamic acceleration with vibration number under different position

圖10　橫向測(cè)試斷面加速度變化曲線Fig.10 The curves of dynamic acceleration in transverse testing section

3.4防水結(jié)構(gòu)層隔水效果

在激振試驗(yàn)過程中，通過預(yù)先埋設(shè)在路基內(nèi)的濕度計(jì)對(duì)路基內(nèi)的濕度變化進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)。圖11給出了三種服役環(huán)境下激振結(jié)束后濕度計(jì)讀數(shù)隨深度的變化曲線。由圖可得，干燥條件下路基內(nèi)的濕度隨深度近似呈線性增長；在降雨條件下，基床表層濕度計(jì)讀數(shù)迅速增大，但在防水結(jié)構(gòu)層以下濕度計(jì)讀數(shù)基本保持不變(濕度計(jì)精度±3%)，說明由于新型防水結(jié)構(gòu)層的作用雨水被隔離在基床表層中，而未使雨水入侵到膨脹土地基內(nèi)部；地下水位上升后，防水結(jié)構(gòu)層以下濕度計(jì)讀數(shù)大幅度提高，但基床表層內(nèi)濕度基本穩(wěn)定，說明防水結(jié)構(gòu)層將地下水隔斷在其下部。綜上所述，研發(fā)的防水結(jié)構(gòu)層能夠起到較好地防水、隔水效果。

圖11　不同條件下濕度隨深度變化曲線Fig.11 Moisture with depth under different service conditions

經(jīng)過三種極端服役條件下300萬次的激振試驗(yàn)后，對(duì)基床結(jié)構(gòu)層進(jìn)行開挖檢查，其防水層外觀如圖12所示。通過現(xiàn)場仔細(xì)檢查，防水結(jié)構(gòu)層未出現(xiàn)滲漏水、微裂紋或開裂現(xiàn)象，由此表明防水結(jié)構(gòu)層具有良好的抗?jié)B性和抗疲勞性。

圖12　試驗(yàn)結(jié)束后防水層外觀Fig.12 Surface of subgrade waterproof layer after tests

4工程實(shí)例驗(yàn)證

本方案擬在新建云桂高速鐵路工程推廣應(yīng)用前，為進(jìn)一步確保云桂鐵路工程質(zhì)量及驗(yàn)證新型防水結(jié)構(gòu)層的實(shí)際服役效果，選取中-弱和中-強(qiáng)兩個(gè)典型膨脹土路塹基床現(xiàn)場激振試驗(yàn)段，設(shè)計(jì)干燥和浸水兩種服役環(huán)境，對(duì)新型防水結(jié)構(gòu)層在循環(huán)振動(dòng)荷載條件下的防水性和抗疲勞性進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果分析如下。

通過在路基各結(jié)構(gòu)層分界面位置預(yù)先埋設(shè)濕度計(jì)，并跟蹤監(jiān)測(cè)干濕條件下路基內(nèi)部的濕度變化情況，中-弱和中-強(qiáng)膨脹土兩個(gè)測(cè)試斷面濕度變化實(shí)測(cè)結(jié)果見表2和表3。由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可得，在基床表層浸水后，兩斷面均表現(xiàn)為防水結(jié)構(gòu)層上部濕度計(jì)讀數(shù)大幅增加，但在防水結(jié)構(gòu)層下部濕度計(jì)讀數(shù)基本保持穩(wěn)定。由此說明，防水結(jié)構(gòu)層能有效防止其上部地表水的侵入，且在中-弱和中-強(qiáng)膨脹土兩種類型地質(zhì)條件下均能起到較好的防水效果。

為了檢查新型改性水泥基防水結(jié)構(gòu)層在極端服役環(huán)境下的抗疲勞性能，各斷面分別通過200萬次現(xiàn)場激振試驗(yàn)后開挖基床表層，并檢查防水結(jié)構(gòu)層是否存在裂紋及滲漏點(diǎn)，防水結(jié)構(gòu)層外觀如圖13所示。經(jīng)現(xiàn)場檢查表明，其既未出現(xiàn)裂損，也未出現(xiàn)滲漏，說明新型防水結(jié)構(gòu)層能夠滿足防水、抗?jié)B及抗疲勞的基本要求，為新建云桂鐵路工程質(zhì)量及基床長期穩(wěn)定性提供了可靠保障。

表2　DK161+840斷面濕度測(cè)試結(jié)果(單位：%)

注：地基土類型：中-弱膨脹土；基床結(jié)構(gòu)：0.7 m基床表層+ 0.2 m新型防水層+0.5 m基床底層；濕度計(jì)精度±3%。

表3　DK205+542斷面濕度測(cè)試結(jié)果(單位：%)

注：地基土類型：中-強(qiáng)膨脹土；基床結(jié)構(gòu)：0.7 m基床表層+ 0.2 m新型防水層+1.2 m基床底層；濕度計(jì)精度±3%。

圖13　現(xiàn)場試驗(yàn)后的防水結(jié)構(gòu)層外觀Fig.13 Surface of subgrade waterproof layer after tests

5結(jié)論

(1) 新型防水結(jié)構(gòu)層具有良好的防水、隔水、抗振、減振的作用；其自身半剛性的特點(diǎn)可對(duì)列車動(dòng)荷載具有較好的消能和擴(kuò)散能力，有益于提高鐵線路的平順性和穩(wěn)定性。

(2) 在同一服役條件下，基床動(dòng)響應(yīng)在激振初始均表現(xiàn)出較大的波動(dòng)性，但隨激振次數(shù)的增加而逐漸穩(wěn)定；新型防水結(jié)構(gòu)層可加快基床內(nèi)部動(dòng)應(yīng)力的衰減，體現(xiàn)了一定的參振作用；動(dòng)應(yīng)力沿橫向距離近似呈“Z”形分布，在軌道正下方出現(xiàn)峰值，距路基面距離越近，動(dòng)應(yīng)力曲線“單峰”特征越明顯，距線路中線5.0 m以外受振動(dòng)影響較小。

(3) 膨脹土路塹新型基床結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性與服役條件相關(guān)，與干燥狀態(tài)相比，降雨和地下水位上升均引起基床動(dòng)應(yīng)力、速度及加速度不同程度的增加。

(4) 通過室內(nèi)和現(xiàn)場激振試驗(yàn)表明：新型防水結(jié)構(gòu)層具有較好的防水性和抗疲勞性能，在降雨和地下水位上升條件下均能有效防止水的侵入，且在長期動(dòng)力循環(huán)荷載作用下能保持良好的抗?jié)B性和抗疲勞性。

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Tests for working property of water-proof layer of cutting subgrade in expansive soil under vibrating load

YANGGuo-lin1,QIUMing-ming1,HEXu1,2,SHENQuan1(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. China Railway 19th Bureau Group Co. Ltd. Liaoyang 111000, China)

Abstract:The defect of cutting subgrade in expansive soil is a key technical problem of railway engineering to be solved urgently. According to the actual conditions of the new Yun-Gui line of a high-speed railway project in expansive soil areas, the model tests for cutting subgrade in expansive soil were conducted to study the dynamic performance and waterproof effect of a new water-proof structure layer under three types extreme service conditions (dry, raining, and underground water rising), and they were analyzed combining with the field measured data. The analysis results showed that the influences of the service environment on the dynamic characteristics of the new subgrade structure are significant; the dynamic stress, velocity and acceleration of the subgrade increase at different levels due to raining and underground water rising; the waterproof layer can accelerate the attenuation of the dynamic stress in the subgrade, the dynamic stress along the transverse distance reveals “Z” shape distribution, and its peak value appears at below the track, and it is smaller at place with a distance more than 5 metres from the railway central line under vibration; the new type waterproof structure layer can meet requirements of waterproof, impenetrability, anti-vibration and impact-absorbing, and using it can improve the ride performance and stability of railway track. The results provided a reference for the construction of the newly built Yun-Gui high-speed railway in expansive soil and similar projects.

Key words:expansive soil; cutting subgrade; dynamic response; water-proof structure layer; high-speed railway

中圖分類號(hào):TU443

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.05.001

收稿日期：2015-03-17修改稿收到日期：2015-08-26

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51478484;51278499;51308551)；中南大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目(2015ZZTS059)

第一作者 楊果林 男，教授,博士生導(dǎo)師，1963年生